逆作法劲性柱柱下钻孔灌注桩施工技术

许孙杰

(福建地矿建设集团公司，福州 350002)

0 引言

随着城市高层、超高层建筑的增多及地下空间向深度开发[1]，建(构)筑物的施工时间随之延长，资金投入也越来越大，追求缩短建(构)筑物的施工工期、提高投入资金的使用效益、节省投资成为迫切的要求，逆作法施工是实现上述目标的有效施工方法[2, 3]。逆作法施工技术指的是沿着建筑物轴线、连续墙等来进行施工，并将混凝土浇筑在指定位置[4-6]。采用逆作法施工，避免了大量临时支撑的施工养护及拆除，大大缩短工期，且利于控制变形，提高深基坑地下室施工安全性，有效提高综合效益。近年来，上海市建(构)筑地下室尤其是深基坑地下室施工推广采用逆作法，为满足逆作法施工要求，一柱一桩被广泛应用。

1 项目概况

长峰商城位于上海长宁区，占地面积25 000 m2，由58层主楼和10层裙房组成，主楼和裙楼均设4层地下室，开挖深度分别约19.60 m 、17.50 m，总建筑面积310 000 m2。桩基钻孔灌注桩1150根，其中裙楼采用逆作法施工，设计劲性柱(桩)226根，采用直径550 mm、壁厚16 mm、长度22 m钢管，锚入桩内2 m，要求如下：①桩径850 mm，桩长55 m，单桩设计承载力5700 kN，桩尖持力层为⑨层细中砂层，桩底沉碴不大于5 cm；②成孔垂直度要求达1/300，劲性柱钢管安装精度要求垂直度不低于1/400，平面位置偏差值小于50 mm；③柱底下部2 m为桩身砼换层界面，要求砼换层界面以上桩身及钢管内采用高标号C60砼浇筑，以满足劲性柱的承载要求。

地层地质情况：①、②层填土、黏土；③层淤泥质粉质黏土，层底标高一般-3.90 m；④层淤泥质黏土，层底标高一般-12.51 m；⑤层黏土/粉质黏土/粉质黏土夹黏质粉土/砂质粉土，层底标高一般-25.75 m；⑥层粉质黏土，层底标高一般-29.13 m；⑦层粉砂/粉细砂，层底标高一般-41.89 m；⑧层黏土/粉质黏土与粉砂互层，层底标高一般-59.97 m；⑨层细中砂，层底标高一般-88.86 m。

2 一柱一桩特点

劲性柱是逆作法施工采用的结构柱类型之一，柱下桩以结构柱位置进行布置，也称一柱一桩，它是在灌注桩桩顶处插入钢管或钢格构柱，在逆作施工阶段作为支撑立柱，在基坑开挖后，钢立柱外布设钢筋支模浇筑混凝土成为永久工程构造柱。柱下桩除了作普通工程桩外，逆作法施工对其承载力要求高，其桩身结构、钢立柱安装垂直度、钢立柱平面位置允许偏差等技术要求严格，在软土地基中，逆作法劲性柱下桩[7]通常有如下要求。

2.1 设计要求[8-10]

(1)桩径、桩长不小于设计孔径、桩长，桩身垂直度不低于1/300，桩身混凝土强度满足设计要求。

(2)在基础底板施工之前，所有结构楼板、梁、支撑、施工荷载由柱下桩及地下连续墙共同承担，在软土地基中，柱下桩通常设计要求桩径较大、桩长超长，持力层选择深部较厚、摩阻系数大的地层。

(3)桩底沉渣不应大于5 cm。

(4)钢立柱采用钢管或钢格构柱，一次性起吊安装，立柱底插入工程桩桩顶，钢管立柱混凝土换层面以上以及钢管内用高标号混凝土浇筑。

(5)立柱安装垂直度1/400以上。

(6)立柱平面位置允许偏差50 mm以内。

除上述设计要求外，施工还需要满足地区、行业建筑桩基技术规范、验收规程等。

2.2 施工要求

一柱一桩受力复杂，要求定位准确，垂直度要求高，承载力大，施工质量好。一般的灌注桩施工工艺难以达到要求，一柱一桩其施工有以下特点：①以桩位为中心，浇筑素砼硬化平整地面，以此作为桩机就位、成孔施工，定位调垂架安装的施作平台；②使用高精度测量仪器，准确测放桩孔中心的位置，护筒挖设、桩机就位、定位调垂架安装，始终进行有效复核，保持中心位置准确，确保桩、柱中心偏差满足要求；③通过控制泥浆性能和合理选择钻进技术参数，保持孔壁稳定，始终采取有效的防斜技术措施，保证桩孔垂直度高，确保钢管或钢格构的顺利安装；④提高清孔效果，保证孔底沉渣满足要求，同时确保水下砼的顺利灌注；⑤使用测斜仪器，通过预埋在钢管或钢格构上的测斜管，在专用的定位调垂架上进行钢管或钢格构的安装、定位、调垂，确保钢管或钢格构的位置准确、垂直度高；⑥砼灌注过程中，准确测定砼面深度，通过控制导管深度，进行不同标号砼界面替换，通过计算确定替换时导管底以上的残留低标号砼，在高标号砼灌注中将其反顶出，保证高标号砼的位置准确。

3 一柱一桩工艺流程及施工方法

3.1 工艺流程

①平整地面，浇筑施工平台；②正循环钻进成孔；③原土泥浆护壁，必要时采用人工造浆护壁；④钢筋笼分段制作成型，孔口焊接，采取吊筋控制笼顶安装标高；⑤钢管一次性加工制作成型；⑥定位调垂架安装、调平；⑦终孔后进行第一次清孔，砼灌注前进行第二次导管正循环清孔替浆；⑧钢管外侧布设测斜管，吊车起吊安装，定位调垂架上调垂直、定位；⑨水下反顶法砼灌注；⑩水下砼灌注中，不同标号砼更替。

3.2 施工方法[11]

3.2.1 桩定位

根据施工图，采用全站仪进行桩定位，并经协作单位复测验收，要求桩位测量误差小于5 mm。

3.2.2 定位调垂架砼平台施工

砼平台作为定位调垂架安装平面基础及钢管安装平面位置定位及安装标高控制的依据，平台砼等级不低于C25。砼平台是以桩位为中心施工的钢筋砼平台，其长宽以桩机底座尺寸及定位调垂架尺寸确定，厚度根据地坪面标高、钢管安装标高而定，厚度不低于150 mm，要求台面水平，高差小于5 mm。在砼台面定出并标识通过桩中心的两条互相垂直轴线，该轴线作为钢管平面定位控制方向。

3.2.3 成孔

钻机就位基础稳固，调平对中严控“三点一线”；采用同心度好且长径比不低于1.5∶1.0的双腰箍钻头以及平直度高的钻杆进行桩孔保径及垂直度控制，牢固钻机平台，严格控制成孔垂直度，发现孔斜立即查明原因及时纠斜。

3.2.4 定位调垂架安装

桩孔一清结束后提钻移开钻机，将定位调垂架垂直安装在砼承台面上，使定位调垂架中心轴线与标识在砼承台面上两条轴线重合，架底座四角用膨胀螺栓固定在砼承台上，膨胀螺栓直径通常不小于18 mm，长度与砼承台厚度相适应。

3.2.5 钢筋笼安装

采用吊机起吊钢筋笼，钢筋笼在桩孔孔口分节焊接安装，最后一节焊接后不直接安放至设计标高，而采用钢丝绳临时悬挂在定位调垂架底座上，笼顶露出地表，为与钢管锚入安装做好准备。

3.2.6 钢管起吊

钢管起吊前在其外侧布设测斜管，由于钢管长径比大、易变形，起吊采用50 t履带吊和25 t汽吊双机抬吊、空中回直的施工方法。

3.2.7 钢管锚入钢筋笼安装[12-16]

钢管与钢筋笼不进行焊接连接，为保证钢筋笼安装定位以及钢管与钢筋笼的顺利锚入，将2根预先测量好长度的吊筋固定在钢管上端吊环上，吊筋上端设置上下两吊环，钢筋笼安装标高以下吊环位置进行确定，钢管与吊筋一起起吊，钢管吊直后穿过定位调垂架中心孔插入钢筋笼，先将吊筋与钢筋笼焊接，钢筋笼由吊筋悬挂在钢管或钢格构吊环上随同一起下入孔内，钢筋笼下至设计标高后将吊筋下吊环固定在定位调垂架上，然后拆除上吊环与钢管的固定，使钢管呈自由状态，进入钢管调垂校正工序。

3.2.8 钢管调垂校正

(1)采用测斜仪测量立柱垂直度，其原理是通过数据采集系统采集钢管或钢格构测斜数据，通过计算机进行数据处理，计算出垂直度、倾斜角、偏斜方位以及偏差值，通过图形与文字提示，指导钢管定位调垂架对其垂直度进行调节，直至符合要求。

(2)本工程采用定位调垂架双层径向螺杆进行钢管调垂校正，定位校正架见图1。根据钢管垂直度测量结果，通过定位架上双层共8根径向调节螺杆在钢管顶部施加一个反向转动力矩，达到校正孔内钢管或钢格构垂直度的目的。钢管安装标高根据焊在钢立柱上端部的定位板以及定位调垂架操作平台上标高调节螺杆进行微调。

图1 钢立柱定位调垂架结构示意图Fig.1 Structure diagram of steel column positioning and lowering frame

3.2.9 清孔、孔底沉渣控制

钢管安装完成后，采用吊机安放浇筑导管，砼灌前进行二次清孔，选用两台3PNL泵正循环清孔，通常清孔时间1.0～1.5 h。清孔结束以泥浆技术参数及孔底沉渣符合有关规范及设计要求为标准。

3.2.10 水下砼灌注

钢管设计通常高出地面，桩砼水下浇筑需用吊机和砼泵车配合在定位调直架平台上实施操作。本工程立柱采用直径550 mm、壁厚16 mm钢管，设计要求除桩身混凝土应达到工程桩的要求外，钢管内需用高标号混凝土(C60以上)填筑，其水下砼浇筑过程应考虑混凝土换层浇灌问题。钢管柱一柱一桩水下混凝土浇灌过程，详示意工况图2。

图2 水下混凝土灌注示意图Fig.2 Diagram of underwater concrete pouring

(1)工况1。桩身混凝土正常浇灌至换层砼交界面上部L0时，起拔导管严格控制导管底端位于换层砼交界面位置。L0的确定需考虑以下因素：①因L0这部分混凝土作为桩身浮砼，今后须凿除，从经济上考虑应尽可能少；②桩身浮砼应能满足桩顶超灌高度的要求；③导管起拔至砼交界面位置时导管埋深须达到施工规范要求。

(2)工况2。更换高标号(C60以上)钢管内芯砼继续浇筑，此时应考虑高标号混凝土浇灌前导管及砼泵车内残留低标号砼因素，高标号混凝土浇灌应在高标号混凝土砼面上升高度为L3时，及时起拔导管，尽可能使导管底部进入钢管内，此时在地面上通过线锤可测孔内桩身浮砼面深度L1，砼面深度L1由以下公式进行推算：

L1=L-L2-L3

Q0]/(0.25KπD2)

(1)

式中：Q0为高标号混凝土浇灌前砼泵车内残留低标号砼量，m3；L为砼换层面深，m；L0为高标号混凝土浇灌前导管埋深，m；L1为浮砼面深度，m；L2为浮砼高度，m；L3为桩身高标号混凝土高度，m；K为桩身扩径充盈系数，一般为1.05～1.20；D为设计桩径，m；d为灌注导管内径，m；γ1为孔内泥浆密度，一般取1.20～1.25 g/cm3；γ2为混凝土密度，取值2.40 g/cm3。

(3)工况3。如果钢管外浮砼面在混凝土浇至桩顶标高后继续上升，会造成混凝土的浪费并增加基坑开挖后的混凝土凿除工作量，因此，在导管进入钢管内后应及时在钢管外侧回填砾料(粒径20～40 mm)，回填高度依据浇灌混凝土时钢管外不返泥浆为原则。继续浇灌钢管内混凝土，至钢管上端溢流口溢出高标号混凝土即可终灌。终灌16 h后，拆除定位架。

4 一柱一桩施工质量情况

4.1 钢管立柱安装情况

长峰商城裙楼桩基共施工226根一柱一桩，经校垂系统实时监测钢立柱垂直度情况并通过定位架螺杆径向调垂校正，其结果表明，钢立柱安装全部达到不大于1/400(或0.25%)的垂直度要求，合格率100%，垂直度值1/400～1/1250。

4.2 开挖后钢管平面位置偏差情况

裙楼地下室基坑开挖后，分别在±0.00 m和桩顶处(标高-18.55 m)实测钢管中心与桩位轴线偏差值，并通过上述偏差值计算立柱实际垂直度，结果为：①在±0.00 m处板面弹线实测实量，钢管中心偏移理论中心位置最大处45 mm，最小为0 mm，均达到设计要求；②在桩顶位置(标高-18.55 m)，钢管中心偏移理论中心位置最大处80 mm，最小为0 mm，平均值40 mm；③基坑开挖后所测钢管垂直度值，除11根垂直度超过0.25%(0.26%～0.43%)外，其余为0～0.25%

4.3 静载测试

由上海港湾工程质量检测中心对本工程共10组测试桩进行静载测试，结果为：11 000 ～12 500 kN荷载下，桩顶沉降为22.54～37.70 mm，卸载后残余沉降7.44～23.38 mm，单桩垂直极限承载不小于11 000 kN。

5 效益分析

劲性柱一柱一桩达到了建(构)筑物结构逆作法施工的良好条件，结合钻孔桩施工，无挤土影响，泥浆密闭运输排放，基坑土方实现了暗挖作业，做到了文明施工。

劲性柱一柱一桩作为支撑体系的纵向构件，同地下室的梁、楼板构成了基坑的围护体系，省去了专门的临时支撑体系，从而节约了工程总造价。

劲性柱一柱一桩传导了上部结构与桩基础间在逆作法施工中的荷载，实现了上部结构与下部基坑以及地下室结构同时施工，相比常规顺作法施工，明显缩短了工程的施工工期。

6 结语

逆作法一柱一桩在基础底板施工之前，与地下连续墙共同承担所有结构楼板、梁、支撑的重量和施工荷载，施工技术要求高，具有相当的施工难度，只有从测量放样、成孔、钢管立柱安装、水下砼灌注等全过程严把技术质量关，才能保证一柱一桩满足设计要求。

在施工中，应注意以下几点：①孔垂直度是影响一柱一桩施工的重要工序，必需通过操作工艺措施的改进，不断提高软土地层深孔钻进成孔质量；②保证钢管立柱安装位置和垂直度的准确性并进行调垂监测，是保证施工质量的关键；③砼浇灌过程基本不影响一柱一桩立柱的垂直度值及平面位置偏差值，但在砼灌注过程应注意保证砼面均匀上升和钢立柱周边回填砾石均匀，以防产生侧向推力引起立柱位置变化。